Терагерц против оптики: первая в мире карта атмосферной связи для всей Земли
Исследование, опубликованное в журнале npj Wireless Technology, впервые сравнивает два перспективных способа беспроводной передачи данных — терагерцевую связь на частоте 220 ГГц и оптическую связь через свободное пространство на длине волны 1550 нанометров. Авторы впервые рассматривают их не в отдельных лабораторных или региональных сценариях, а в единой глобальной модели: учитывают влажность, облачность, туман, дождь и атмосферную турбулентность, а затем показывают, где на Земле каждая технология будет работать лучше.
Актуальность работы связана с быстрым ростом объёма передаваемых данных. К 2030 году мировой мобильный трафик может достигнуть 430 эксабайт в месяц — примерно в 2,6 раза больше уровня 2024 года. Обычные радиочастоты постепенно перегружаются, поэтому исследователи ищут новые способы передачи больших объёмов информации. Терагерцевые системы и оптическая связь способны обеспечить многогигабитные скорости и могут использоваться не только в наземных сетях, но и для связи между наземными станциями, беспилотными аппаратами, высотными платформами и спутниками.
Разница между технологиями прежде всего связана с длиной волны. Оптический сигнал на длине волны 1550 нанометров почти не поглощается атмосферными газами. Для него воздух в этом отношении практически прозрачен. Сигнал на частоте 220 ГГц, напротив, сильнее взаимодействует с молекулами водяного пара и кислорода. Поэтому потери терагерцевого сигнала зависят от температуры, влажности, сезона и географического положения. В тропиках, где воздух постоянно тёплый и влажный, молекулярные потери на этой частоте достигают примерно 14,2 дБ. В субарктических районах зимой они снижаются до 1,8 дБ. У оптической связи соответствующие потери во всех рассмотренных климатических условиях остаются ниже 0,3 дБ.
На первый взгляд это даёт очевидное преимущество оптической технологии. Однако в реальной атмосфере молекулярное поглощение — лишь одна из проблем. С гораздо более серьёзными трудностями оптический сигнал сталкивается при прохождении через облака и туман. Капли воды в них намного крупнее длины оптической волны и эффективно рассеивают свет. В плотном тумане потери оптического сигнала могут составлять от 80 до 340 дБ на километр. Для терагерцевой связи тот же туман означает примерно 5,6 дБ на километр. Иными словами, терагерцевый сигнал в таких условиях теряет мощность в десятки раз медленнее.
Именно здесь проявляется главное преимущество терагерцевой связи: она гораздо устойчивее к облакам, туману и атмосферным возмущениям. Оптический луч может практически исчезнуть уже при появлении плотного облачного слоя, тогда как терагерцевый сигнал обычно продолжает проходить через него с умеренным ослаблением. Дождь влияет на обе технологии сильнее, но в умеренных широтах потери оказываются примерно сопоставимыми. В тропиках ситуация меняется: при очень сильном дожде оптические потери могут достигать почти 61 дБ на километр, тогда как для терагерцевой связи они составляют около 30 дБ на километр.
Ещё одно важное различие связано с атмосферной турбулентностью. Неравномерно нагретый воздух постоянно меняет показатель преломления и слегка отклоняет распространяющийся сигнал. Для оптической связи это особенно критично: узкий луч может заметно сместиться и частично или полностью пройти мимо приёмника. При сильной наземной турбулентности оптической системе приходится закладывать запас до 20 дБ для восходящего канала. Терагерцевый сигнал в тех же условиях требует примерно 5,1 дБ. Потери от смещения луча для него практически пренебрежимо малы — около 0,01 дБ даже при сильной турбулентности.
Причина в том, что терагерцевый луч физически шире. При сопоставимых потерях на распространение его диаграмма направленности примерно в 30 раз шире оптической. Поэтому одинаковое атмосферное отклонение для оптического луча может стать серьёзной проблемой, а для терагерцевого останется небольшой поправкой. Оптические системы должны постоянно и очень точно отслеживать положение луча, используя сложные механизмы наведения, захвата и сопровождения. Терагерцевые системы менее требовательны к точности позиционирования, хотя для них нужны более крупные антенны.
Глобальный анализ показывает, что универсального победителя нет. При типичных атмосферных условиях терагерцевая связь имеет меньшие суммарные потери примерно на 73% поверхности Земли. Преимущество особенно заметно над океанами и в районах с частой облачностью. Оптическая связь выигрывает на оставшихся 27% поверхности, где атмосфера обычно сухая и ясная.
Если рассматривать только сушу, картина меняется. На 65% суши меньшие потери показывает FSO-связь — то есть оптическая передача через свободное пространство. Это объясняется тем, что многие материковые районы, особенно пустыни, полупустыни и внутренние области континентов, отличаются низкой влажностью и относительно редкой облачностью. В таких местах оптика может использовать своё ключевое преимущество — почти полное отсутствие молекулярного поглощения. Терагерцевая связь, напротив, теряет часть преимущества из-за поглощения водяным паром.
Особенно интересны результаты для конкретных природных зон. Высокогорья, включая Тибетское нагорье, Анды и Скалистые горы, благоприятны для терагерцевой связи: над поверхностью там находится меньше атмосферного воздуха и, соответственно, меньше водяного пара. Похожая ситуация складывается в Сахаре, на Аравийском полуострове и во внутренних районах Австралии. В тропической зоне, напротив, высокая температура и влажность создают для терагерцевого сигнала дополнительные потери, а облачность и ливни одновременно резко ухудшают работу оптических систем.
Авторы отдельно оценили не просто средние потери, а надёжность связи. Для этого они задали допустимый запас в 20 дБ и рассчитали, как часто сигнал остаётся в этих пределах. Терагерцевая система сохраняет потери ниже заданного уровня более чем в 99% времени на 86% поверхности Земли. Для оптической связи такой показатель достигается только на 2% поверхности. Наиболее проблемными для обеих технологий остаются районы устойчивой глубокой конвекции — прежде всего экваториальная зона, Морской континент, западная часть Тихого океана и некоторые районы тропической Южной Америки и Африки.
При увеличении допустимого запаса до 30 дБ терагерцевая связь становится пригодной примерно для 98% поверхности планеты. Оптическая технология не получает такого же эффекта, потому что облака и плотный туман могут практически полностью блокировать световой сигнал независимо от того, насколько велик запас мощности. При этом оптика сохраняет преимущества в ясных и сухих районах, где она обеспечивает меньшие потери и может использовать компактные высокоэффективные телескопы.
Оригинальность исследования заключается в масштабе и единстве подхода. Предыдущие работы обычно изучали либо терагерцевые, либо оптические системы, рассматривали отдельные климатические зоны или использовали разные модели атмосферы для каждой технологии. Авторы этой статьи сопоставили оба типа связи в одинаковых условиях, на глобальной сетке с разрешением около 31 километра, используя 30 лет метеорологических данных ERA5 — с 1994 по 2024 год. Для каждой области они объединили расчёты молекулярного поглощения, воздействия облаков и тумана, а также отдельный анализ влияния дождя и турбулентности.
Практический вывод исследования состоит не в том, что одна технология должна полностью заменить другую. Наиболее перспективным решением авторы считают гибридную систему. В ясную погоду она могла бы использовать оптический канал, обеспечивающий низкие потери и высокую скорость передачи данных. При появлении облаков, тумана или сильной турбулентности система переключалась бы на терагерцевый канал. Такой подход позволил бы совместить пропускную способность оптики с устойчивостью терагерцевой связи.
Для будущих спутниковых сетей, высотных платформ и глобальных коммуникаций это особенно важно. Исследование показывает, что при проектировании таких систем нельзя ориентироваться только на максимальную скорость или средние потери в ясную погоду. Необходимо учитывать климат конкретного региона, сезонные изменения влажности, частоту облаков и требования к непрерывности связи. В одних местах оптимальной окажется оптика, в других — терагерцевый канал, а для наиболее надёжной глобальной сети потребуется их совместное использование.
